Мы все способны впадать в спячку? Биологи нашли древний нейронный контур, сохранившийся у приматов

Большинство теплокровных животных круглосуточно расходует огромное количество энергии на поддержание стабильной температуры тела. У человека и большинства млекопитающих эта температура держится в районе 37 градусов Цельсия. Если температура тела падает даже на несколько градусов, наступает тяжелая гипотермия: нарушается сердечный ритм, клетки мозга перестают передавать импульсы, а ферменты теряют способность перерабатывать питательные вещества. Если охлаждение продолжается, организм погибает.

Однако некоторые млекопитающие выработали способность регулярно и безопасно отключать этот обогрев. Во время зимней спячки (гибернации) они снижают скорость обмена веществ более чем на девяносто процентов, замедляют дыхание и пульс до единичных сокращений в минуту, а их тело остывает почти до нуля градусов. Спустя недели или месяцы они самостоятельно согреваются и возвращаются к активной жизни без повреждений мозга, сердца и мышц.

Биологи давно установили, что за поддержание тепла и контроль температуры отвечает гипоталамус — глубинный отдел головного мозга. Однако точная группа клеток, которая отдает организму прямой приказ прекратить выработку тепла и перейти в состояние глубокого оцепенения, оставалась неизвестной.

Исследовательская группа из Института Уайтхеда, Массачусетского технологического института и Гарвардской медицинской школы под руководством Синиши Хрватина и Эдриана Мартинеса впервые определила конкретные нейроны, управляющие входом в спячку, и разработала генетический способ избирательного включения и выключения этого состояния. Результаты работы опубликованы в научном издании bioRxiv.

Сложность экспериментов: почему обычные мыши не подошли

Подавляющая часть открытий в современной нейробиологии совершается с помощью лабораторных мышей. Для них созданы подробные генетические карты и существуют сотни линий с заранее модифицированными генами. Однако у мышей есть принципиальное ограничение: они не впадают в настоящую многодневную зимнюю спячку.

В условиях сильного голода мышь может войти лишь в кратковременное оцепенение — торпор. Оно длится всего несколько часов, а температура тела животного при этом редко опускается ниже двадцати градусов.

Настоящая спячка устроена иначе. Она состоит из нескольких последовательных циклов глубокого оцепенения. Каждый такой приступ длится от двух до пяти суток: температура тела опускается до четырех-пяти градусов, животное полностью перестает двигаться, пить и есть. Затем на несколько часов температура тела спонтанно поднимается до нормальных тридцати семи градусов (период эутермии), после чего организм снова остывает и погружается в следующий цикл.

Чтобы изучить этот физиологический процесс, исследователи выбрали сирийских хомяков (Mesocricetus auratus). В лаборатории для них воссоздали условия наступления осени и зимы: сократили световой день с двенадцати до восьми часов, а затем охладили помещение до четырех градусов тепла. В таких условиях около восьмидесяти процентов самок хомяков начали регулярно впадать в глубокую спячку. Их средняя температура во время приступа оцепенения составляла 5,5 градуса Цельсия, а продолжительность одного непрерывного эпизода достигала шестидесяти часов.

Сложность заключалась в том, что для хомяков нет готовых трансгенных линий. Стандартные вирусы, которые биологи применяют для доставки генов в клетки мышей, у хомяков работали неточно. Например, общепринятый промотор CamkIIa, призванный работать только в возбуждающих нейронах, в мозге хомяка связывался с нужными клетками лишь в сорока двух процентах случаев, поражая при этом и тормозные нейроны. Чтобы провести точные эксперименты, ученым пришлось создать принципиально новый молекулярный инструмент.

Картирование активности мозга во время охлаждения

На первом этапе авторы работы выяснили, какие именно отделы мозга активируются в момент, когда хомяк начинает засыпать и остывать.

Для этого исследователи измерили уровень белка FOS в тридцати двух различных структурах мозга. Белок FOS накапливается в клетках в ответ на недавнюю активность, что позволяет использовать его как маркер работающих нейронов. Ученые сравнили срезы мозга хомяков в трех состояниях: во время нормального бодрствования в тепле, в момент глубокой спячки и во время коротких промежутков спонтанного согревания.

Анализ показал, что в то время как большинство областей мозга при охлаждении снижает свою активность, в гипоталамусе выделяется зона с высокой концентрацией FOS. Этой зоной оказалась передняя преоптическая область (aPOA), а максимальное количество активных нейронов сосредоточилось в так называемом антеровентральном перивентрикулярном ядре (AVPe). При входе в спячку доля активных клеток здесь составила более четырнадцати процентов, тогда как при обычном бодрствовании она не превышала одного процента.

Чтобы доказать функциональную связь этой области со спячкой, исследователи использовали метод хемогенетики. В переднюю часть гипоталамуса хомяков ввели вирусный вектор, несущий ген тормозного искусственного рецептора (Gi-DREADD). Этот рецептор активируется только синтетическим веществом — клозапином, которое не вырабатывается организмом и не влияет на обычные клетки.

Когда хомякам, находившимся в активной фазе спячки, дали воду с добавлением клозапина, препарат заблокировал работу нейронов преоптической области. В результате животные потеряли способность впадать в оцепенение: они оставались теплыми и бодрствовали, несмотря на холод в помещении. Это доказало, что активность передней преоптической зоны строго необходима для начала спячки.

Расшифровка клеточного состава и создание вирусного вектора

Передняя преоптическая область гипоталамуса неоднородна: на небольшом участке сосредоточены миллионы клеток с совершенно разными свойствами и функциями. Чтобы найти те конкретные нейроны, которые управляют температурой, авторы провели масштабный молекулярный анализ.

С помощью метода мультиомного секвенирования одиночных ядер ученые одновременно прочитали состав активных РНК и определили участки открытого хроматина в более чем сорока пяти тысячах клеточных ядер хомяков и мышей.

Результат оказался неожиданным: по своей базовой структуре преоптическая область хомяков и мышей оказалась практически одинаковой. Исследователи выделили пятнадцать типов тормозных (ГАМК-ергических) и одиннадцать типов возбуждающих (глутаматергических) нейронов, и каждый тип клеток хомяка имел точный аналог в мозге мыши. У хомяка не обнаружилось никаких эксклюзивных типов клеток, свойственных только зимующим видам.

Однако сопоставление данных активности и экспрессии генов показало, что большинство нейронов, активных при начале спячки (более шестидесяти пяти процентов), относятся к возбуждающим глутаматергическим клеткам, несущим маркеры Slc17a6 (Vglut2) и Adcyap1. Кроме того, вся эта группа избирательно производила РНК гена Samd3.

Изучив структуру ДНК этих нейронов, биологи обнаружили регуляторный участок — энхансер длиной пятьсот пар оснований, расположенный рядом с геном Samd3. Этот участок, названный Samd3E, находился в развернутом, открытом состоянии исключительно в нужных глутаматергических нейронах передней преоптической зоны, а во всех остальных типах клеток был плотно заблокирован.

Авторы синтезировали этот регуляторный элемент и встроили его в оболочку аденоассоциированного вируса (AAV8). Полученный вектор доставлял генетический груз строго по адресу: избирательность экспрессии генов в целевых нейронах преоптической области составила более девяноста пяти процентов.

Проверка гипотезы: выключение и включение спячки

С новым инструментом ученые смогли избирательно управлять только найденной группой нейронов у живых хомяков.

Сначала исследователи провели опыт на отключение функции. В целевые клетки ввели тормозной рецептор. Когда животным ввели препарат, блокирующий эти нейроны, хомяки не смогли войти в очередной цикл спячки: время ожидания приступа увеличилось вдвое, а большая часть животных вообще перестала охлаждаться на протяжении всех шести дней действия препарата.

Затем был поставлен решающий эксперимент на запуск спячки. В те же нейроны преоптической области ученые внедрили активирующий хемогенетический рецептор (Gq-DREADD).

После введения небольшой дозы клозапина у хомяков произошли следующие изменения:

1. Падение температуры тела. Температура ядра тела бодрствующих животных быстро снизилась с нормы в тридцать семь градусов до 13,9 градуса Цельсия.
2. Длительность состояния. Сниженная температура и низкий уровень метаболизма удерживались в среднем пятьдесят семь часов подряд, что полностью соответствует продолжительности естественного цикла оцепенения.
3. Поведение. Хомяки начали демонстрировать характерные поведенческие реакции: они заранее обустраивали гнездо из опилок, сворачивались в клубок, переставали реагировать на шум, не принимали пищу и воду.
4. Прямая зависимость. Чем больше целевых нейронов в гипоталамусе было активировано вирусом, тем сильнее падала температура тела хомяка. Связь между объемом активации и глубиной охлаждения показала строгую статистическую корреляцию (r=−0,9577).

Этот эксперимент доказал, что глутаматергические нейроны передней преоптической области, содержащие ген Samd3, одновременно необходимы и достаточны для перевода организма в состояние глубокого оцепенения.

Древний механизм: почему этот контур есть у других видов

Поскольку молекулярное строение преоптической области хомяков и мышей оказалось схожим, исследователи проверили, как на стимуляцию этих же нейронов отреагирует лабораторная мышь.

Ученые ввели вектор Samd3E с активирующим рецептором обычным мышам и поместили их в прохладную комнату с температурой восемь градусов Цельсия. После введения активирующего препарата температура тела мышей также резко упала, и они погрузились в глубокое оцепенение, хотя охлаждение оказалось не таким сильным, как у хомяков.

Затем авторы обратились к базам данных экспрессии генов обыкновенной игрунки (Callithrix jacchus) — мелкого примата, который в природе никогда не впадает в спячку. Анализ показал, что в преоптической области мозга обезьян присутствуют точно такие же группы глутаматергических нейронов с аналогичным набором маркеров (Vglut2 и Adcyap1).

Эти факты говорят о том, что способность произвольно снижать температуру тела и скорость обмена веществ — это древнее общее свойство всех млекопитающих. Нейронная цепочка в головном мозге, отвечающая за запуск этого процесса, сохранилась у самых разных видов, включая приматов.

Разница между теми, кто способен спать зимой, и теми, кто бодрствует круглый год, заключается не в устройстве управляющих центров мозга. Различия кроются в периферических органах: у зимоспящих животных клетки сердца, сосудов и мембраны тканей эволюционно приспособлены к работе в условиях околонулевых температур, тогда как у человека и других незимующих видов те же органы выходят из строя из-за холода задолго до того, как метаболизм успеет плавно замедлиться.

Практическое значение для медицины и науки

Открытие конкретной популяции управляющих нейронов и создание способа их точечной активации имеет прямое прикладное значение для целого ряда направлений:

• Неотложная помощь и реаниматология. При ряде серьезных клинических случаев, клетки мозга и внутренних органов быстро гибнут из-за нехватки кислорода. Искусственное снижение метаболизма и контролируемое охлаждение тканей замедляют биохимические процессы разрушения и дают врачам дополнительное время для проведения операции.
• Трансплантация органов. В настоящее время донорские органы могут храниться вне тела всего несколько часов. Понимание молекулярных механизмов, позволяющих клеткам зимоспящих животных выдерживать длительное охлаждение без некроза, поможет увеличить срок консервации органов до нескольких дней.
• Борьба с атрофией мышц. Во время многомесячной спячки животные остаются неподвижными, однако их мышцы не разрушаются, а плотность костей не снижается. Изучение сигналов, которые мозг посылает телу в этот период, позволит найти методы лечения и восстановления лежачих больных.
• Замедление процессов старения. Измерения показывают, что в фазе глубокого оцепенения темпы эпигенетического старения тканей существенно замедляются.
• Космическая биология. Введение экипажа в состояние обратимого управляемого гипометаболизма рассматривается как один из способов снижения потребностей в ресурсах жизнеобеспечения во время длительных космических полетов.

Авторы исследования определили ключевую отправную точку в регуляции спячки. Следующим этапом работы станет выяснение того, как именно сигнал от преоптических нейронов передается в нижележащие отделы мозга, каким образом он перестраивает работу вегетативной нервной системы и какие молекулярные механизмы защищают клетки жизненно важных органов при глубоком охлаждении.

Источник: biorxiv